電子測量技術(shù)(第3版)第三章第1部分

1、 第3章 電路元件參數(shù)測量方法和儀器本章使用的主要儀器模擬萬用表 數(shù)字萬用表直流電橋交流電橋手持式數(shù)字LCR測試儀電阻、電感及電容參數(shù)測試儀臺式雙顯示數(shù)字LCR測試儀晶體管圖示儀數(shù)字集成電路參數(shù)測試儀3.1 概述 電路元件如電阻器、電容器、電感器、晶體二極管、晶體三極管和集成電路等是組成電子電路最基本的元件，它們的質(zhì)量和性能的好壞直接影響電路的性能。電路元件的測量必須保證測試條件與規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)工作條件相符合。3.2 電路元件參數(shù)的測量 3.2.1 電阻和電位器的測量 電阻和電位器在電路中多用來進行限流、分壓、分流以及阻抗匹配等，是電路中應(yīng)用最多的元件之一。n1電阻和電位器的參數(shù)n 電阻的參數(shù)包括

2、標(biāo)稱阻值、額定功率、精度、最高工作溫度、最高工作電壓、噪聲系數(shù)及高頻特性等，主要參數(shù)為標(biāo)稱阻值和額定功率。其中，標(biāo)稱阻值是指電阻上標(biāo)注的電阻值；額定功率是指電阻在一定條件下長期連續(xù)工作所允許承受的最大功率。n(1) 電阻規(guī)格的直標(biāo)法。n直標(biāo)法是將電阻的類別和主要技術(shù)參數(shù)的數(shù)值直接標(biāo)注在電阻的表面上，如圖3.1(a)所示為碳膜電阻，阻值為10k，精度為1%。圖3.1(c)所示為電阻額定功率的直接標(biāo)識方法。n（2）電阻規(guī)格的色環(huán)法。n色環(huán)法是將電阻的類別和主要技術(shù)參數(shù)的數(shù)值用顏色（色環(huán)）標(biāo)注在電阻的表面上，如圖3.1（b）所示。其中，第一、第二色環(huán)表示電阻被乘數(shù)量值；第三環(huán)為倍乘的量值。將第一、第

3、二、第三色環(huán)分別用X、Y、Z表示，則電阻阻值為)(1010ZYXR圖3.1 電阻和電位器參數(shù)標(biāo)注方法（3）電位器的標(biāo)識法。一般將電位器的阻值和功耗直接標(biāo)注在器件的表面上，如圖3.1（d）所示兩種電位器，左邊為臥式線性可變電阻器，阻值為0.5kW，右邊為旋轉(zhuǎn)式對數(shù)可變電阻器，阻值為100kW。 CRL2、測量原理和常規(guī)測試方法n2測量原理和常規(guī)測試方法n（1）電阻的頻率特性。電阻工作于低頻時其電阻分量起主要作用，電抗部分可以忽略不計。此時，只需測出R的值就可以了。n工作頻率升高時，電抗分量就不能忽略不計，等效電路如圖3.2所示。等效電阻隨頻率的不同而不同。 圖3.2 電阻的等效電路（2）固定電阻

4、的測量。 萬用表測量電阻。模擬式和數(shù)字式萬用表都有電阻測量擋，都可以用來測量電阻。采用模擬萬用表測量時，應(yīng)先選擇萬用表電阻擋的倍率或量程范圍，然后將兩輸入端短路調(diào)零，最后將萬用表并接在被測電阻的兩端，測量電阻值。 電橋法測量電阻?；菟沟请姌虻脑砣鐖D3.3所示，它是一種四臂的直流電橋。其中R1、R2是固定電阻，稱為比率臂，比例系數(shù)k = R1/R2，可通過量程開關(guān)進行調(diào)節(jié)；Rn為標(biāo)準(zhǔn)電阻，稱為標(biāo)準(zhǔn)臂；Rx為被測電阻；G為檢流計。n測量時，接上被測電阻Rx，再接通電源，通過調(diào)節(jié)k和Rn，使電橋平衡，即檢流計指示為0，此時，讀出k和Rn的值，即可求得Rx。圖3.3 直流電橋測電阻1xnn2, RR

5、RkRRn 伏安法測量電阻。伏安法是一種間接測量法，先直接測量被測電阻兩端的電壓和流過它的電流，然后根據(jù)歐姆定律R = U/I算出被測電阻的阻值。伏安法測量原理如圖3.4（a）、（b）所示，有電流表內(nèi)接和電流表外接兩種測量電路。圖3.4 伏安法測電阻原理圖mARXRA+-+V-RXmARA+-+V-(a)電流表內(nèi)接(b)電流表外接（1）電流表內(nèi)接。電流表內(nèi)接時，電流表的讀數(shù)I等于被測電阻 中流過的電流 ，電壓表的讀數(shù)等于被測電阻 上的電壓與電流表上的電壓之和。被測電阻的測值為:)1 (xAxAxxAxRRRRRIUUIUR式中 Rx 被測電阻的實際值； RA A 電流表內(nèi)阻。 xRxIxRn（

6、2）電流表外接。電流表外接時，電壓表的讀數(shù)U等于被測電阻 兩端的電壓 ，電流表的讀數(shù)則是 ，此時，被測電阻的測量值為: 式中，RX 被測電阻的實際值； RU電壓表內(nèi)阻。)1 (UxxUxxRRRIIUIURUxIIIxRxUn用伏安法測電阻，由于電阻接入的方法不同，測量值與實際值有差異。為了盡可能減少系統(tǒng)誤差，一是采用加修正值的方法；二是根據(jù)被測電阻的阻值范圍合理選用電路。3 3電位器的測量電位器的測量性能測量。性能測量。主要測量電阻標(biāo)稱值和端片接觸情況。用示波器測量電位器的噪聲。用示波器測量電位器的噪聲。示波器可以用來測量電位器、變阻器的噪聲。如圖3.5所示。n（4）非線性電阻的測量。非線性

7、電阻是一類特殊用途的電阻器，如光敏、氣敏、壓（力）敏、電（壓）敏、熱敏電阻器等，它們的阻值隨著外界光線的強弱、氣體濃度的高低、壓力的大小、電壓的高低、溫度的高低而變化。一般可采用前面介紹的伏安法，測量一定直流電壓下的直流電流值，即逐點改變電壓的大小，然后測量相應(yīng)的電流，最后做出伏安特性曲線。圖3.5 電位器噪聲測量接線圖n電容器在電路中多用來濾波、隔直、交流耦合、交流旁路及與電感元件構(gòu)成振蕩電路等，是電路中應(yīng)用最多的元件之一。 1、電容的參數(shù)和標(biāo)注方法(1)電容的參數(shù)。電容器的參數(shù)主要有以下幾項。3.2.2電容的測量標(biāo)稱電容量和允許誤差。標(biāo)注在電容器上的電容量，稱作標(biāo)稱電容量。電容器的實際電容

8、量與標(biāo)稱電容量的允許最大偏差范圍，稱為允許誤差。n 額定工作電壓。這個電壓是指在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，電容器能夠長期可靠工作的最高電壓，可分為直流工作電壓和交流工作電壓。n 漏電電阻和漏電電流。電容器的漏電電流越大，絕緣電阻越小。當(dāng)漏電電流較大時，電容器會發(fā)熱，發(fā)熱嚴(yán)重時，會損壞電容器。n 損耗因數(shù)。電容器的損耗因數(shù)定義為損耗功率與存儲功率之比，用D表示。D值越小，損耗越小，電容的質(zhì)量越好。 n（1）電容的等效電路. 電容的實際等效電路如圖3.6(a)所示。在工作頻率較低時，等效電路可簡化為如圖3.6(b)所示。(a) 電容的實際等效電路(b) 電容的簡化等效電路C0R0L0C0R02、測量原理和

9、常規(guī)測試方法n（2）性能測量。對電解電容器的性能測量，最主要的是容量和漏電電流的測量，若電容的正、負(fù)極標(biāo)志脫落，還應(yīng)進行極性判別。但用模擬式萬用表的電阻擋測量，不能測出電容容量和漏電電阻的確切數(shù)值，也不能知道電容器所能承受的耐壓，只能對電容器的好壞程度進行粗略判斷，在實際工作中經(jīng)常使用估測法。n 估測電容的漏電電流。 n 判斷電容的極性。 n 估測電容量。 n(3)諧振法測量電容.交流信號源、交流電壓表、標(biāo)準(zhǔn)電感L和被測電容連成如圖3.7所示的并聯(lián)電路。圖3.7 諧振法測電容的原理圖測量時，調(diào)節(jié)信號源的頻率，使并聯(lián)電路諧振，即交流電壓表讀數(shù)達(dá)到最大值，反復(fù)調(diào)節(jié)幾次，確定電壓表讀數(shù)最大時所對應(yīng)的

10、信號源的頻率f ，則被測電容值Cx為 02)2(1CLfCx（4）交流電橋法測量電容量和損耗因數(shù)。交流電橋的工作原理與直流電橋基本相同，所不同的是電橋采用交流供電，平衡指示表為交流電表，橋臂由電阻和電抗元件組成。用交流電橋可以測量電阻、電容和電感元件的參數(shù)。n 串聯(lián)電橋的測量。如圖3.8（a）所示為串聯(lián)電橋測量電容量的電路，由電橋的平衡條件可得4xn3RCCR式中，Cx被測電容的容量； Cn可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電容； R3、R4可調(diào)電阻。3xn4RRRR式中，Rx被測電容的等效串聯(lián)損耗電阻； Rn可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電阻。34xn34122xxnnnRRDC RfCRfC RQRR 測量時，先根據(jù)被測電容的范圍，通過

11、改變R3來選取一定的量程，然后反復(fù)調(diào)節(jié)R4和Rn使電橋平衡，即檢流計讀數(shù)最小，從R4、Rn的刻度讀出Cx和Dx的值。這種電橋適用于測量損耗小的電容器。對于損耗較大的電容器，可采用并聯(lián)電橋測量。圖3.8 測量電容的交流電橋法原理圖n 并聯(lián)電橋的測量。在圖3.8（b）所示的并聯(lián)電橋中，調(diào)節(jié)Rn和Cn使電橋平衡，此時根據(jù)下式可求出電容的容量、等效串聯(lián)損耗電阻和損耗參數(shù)。4xn33xn4xnnRCCRRRRRDfC R 2 （5）電容的數(shù)字化測量方法。一般采用電容電壓轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)電容的數(shù)字化測量，轉(zhuǎn)換器如圖3.9所示。圖3.9 電容-電壓的轉(zhuǎn)換電路虛部實部分離電路 R1A+-RxCxUxUrUS式中 R

12、x被測電容的等效并聯(lián)損耗電阻； US轉(zhuǎn)換器輸入的直流電壓值； Ur轉(zhuǎn)換器輸出電壓的實部值； RX轉(zhuǎn)換器輸出電壓的虛部值。 1sr1srxxxx21tan2xxxRRUUUCf RUUDf R CU3.2.3 電感的測量n1主要參數(shù)n（1）電感量L。線圈的電感量L也叫自感系數(shù)或自感，是表示線圈產(chǎn)生自感應(yīng)能力的一個物理量。n（2）品質(zhì)因數(shù)Q。線圈的品質(zhì)因數(shù)Q也叫Q值，是表示線圈品質(zhì)質(zhì)量的一個物理量。它是指線圈在某一頻率的交流電壓下工作時，所呈現(xiàn)的感抗與其等效損耗電阻之比，即 2 f LLQRRn（3）分布電容。線圈的匝與匝間、線圈與屏蔽罩間、線圈與磁芯和底板間存在的電容，均稱為分布電容。分布電容的

13、存在使線圈的Q值減小，穩(wěn)定性變差，因此線圈的分布電容越小越好。2測量原理和常規(guī)測試方法（1）電感的等效電路。電感一般是用金屬導(dǎo)線繞制而成的，所以存在繞線電阻R（對于磁芯電感還應(yīng)包括磁性材料插入的損耗電阻）和線圈的匝與匝之間的分布電容，故其等效電路如圖3.10（a）所示。 圖3.10 電感的等效電路（2）諧振法測量電感。將交流信號源、交流電壓表、標(biāo)準(zhǔn)電容C和被測電感Lx連成如圖3.11所示的并聯(lián)電路。圖3.11 諧振法測電感的原理圖n測量時，調(diào)節(jié)信號源的頻率，使并聯(lián)電路諧振，即交流電壓表的讀數(shù)達(dá)到最大值，反復(fù)調(diào)節(jié)幾次，確定電壓表讀數(shù)最大時所對應(yīng)的信號源的頻率f1，則被測電感值為)()2(1021

14、CCfLx式中 Lx 被測電感的電感量； C標(biāo)準(zhǔn)電容； C0 標(biāo)準(zhǔn)電感的分布電容 f1第一次諧振的頻率。CfffC2122210由上述兩式可得: 02121CfLx）（ 式中 f2 第二次諧振的頻率。n（3）交流電橋法測量電感。測量電感的交流電橋有馬氏電橋和海氏電橋兩種，分別適用于測量品質(zhì)因數(shù)不同的電感。n 馬氏電橋。如圖3.12（a）所示，由電橋平衡條件可得x23n23xnxnnLRRCRRRRQRC式中，Lx被測電感； Cn標(biāo)準(zhǔn)電容； Rx被測電感的損耗電阻； Qx被測電感的品質(zhì)因數(shù)。圖3.12 交流電橋測量電感 海氏電橋。如圖3.12（b）所示，同樣由電橋平衡條件可得23nx22222223x222nxnn111nnnnnnRR CLRCRRRCRRRCQRCn（4）通用儀器測量電感。通用儀器測量電感